欠驱动航天器姿态稳定的非线性控制

针对欠驱动航天器姿态稳定的非线性控制设计问题,给出了欠驱动航天器姿态运动的运动学方程和动力学方程,并将姿态四元数和角速度整合,引进分段连续变量和相应的时变函数,提出周期性连续时变反馈控制律,使欠驱动航天器姿态达到稳定状态.数值仿真实验结果表明了所设计控制律的有效性.     

充液挠性飞行器的变结构控制

给出了带有多个挠性附件的充液飞行器的动力学方程,针对此模型采用变结构控制方法设计了系统的控制器。控制任务包括操纵天线使之跟踪事先给定的运动规律,并保持星体在惯性空间稳定,同时有效地抑制附件的弹性振动。通过仿真算例验证了此控制律的有效性。     

充液挠性飞行器的变结构控制

给出了带有多个挠性附件的充液飞行器的动力学方程，针对此模型采用变结构控制方法设计了系统的控制器。控制任务包括操纵天线使之跟踪事先给定的运动规律，并保持星体在惯性空间稳定，同时有效地抑制附件的弹性振动。通过仿真算例验证了此控制律的有效性。     

A low-energy ion spectrometer with half-space entrance for three-axis stabilized spacecraft

A low-energy ion spectrometer(LEIS) for use aboard three-axis stabilized spacecraft has been developed to measure ion energy per charge distribution in three-dimensional space with good energy-, angular-and temporal-resolutions. For the standard top-hat electrostatic analyzer used widely in space plasma detection, three-axis stabilized spacecraft makes it difficult to obtain complete coverage of all possible ion arrival directions. We have designed angular scanning deflectors supplementing to a cylindrically symmetric top-hat electrostatic analyzer to provide a half-space field of view as 360°×90°(–45°–+45°), and fabricated the LEIS flight model for detecting magnetospheric ions in geosynchronous orbit. The performance of this payload has been evaluated in detail by a series of simulation and environmental tests, and the payload has also been calibrated through laboratory experiments using a low-energy ion source. The results show that capabilities of the LEIS payload are in accordance with the requirements of a magnetospheric mission.     

组合体航天器的姿态无模型自适应控制

为解决转动惯量参数未知组合体航天器的姿态精确控制问题,基于无模型自适应控制方法设计了一种不依赖于航天器精确动力学模型的组合体航天器姿态无模型自适应控制算法.首先,基于单输入单输出离散时间系统的数据驱动控制方法推导得出无模型自适应控制方程;然后,将无模型自适应控制方法拓展到组合体航天器姿态控制中,设计应用于组合体航天器姿态控制的无模型控制器;此外,为了缩短控制收敛时间,结合组合体航天器动力学特性,对姿态无模型控制器的控制过程进行优化设计;最后,以在轨服务航天器目标抓捕后的操作为研究背景进行组合体航天器的无模型自适应控制算法和无模型控制过程优化算法的数学仿真,验证了算法的有效性和可行性.数学仿真结果表明:所设计的组合体航天器无模型自适应算法有效,能够实现惯性参数未知的组合体航天器的姿态精确控制;且通过无模型控制过程优化设计,可以实现组合体航天器姿态控制过程的快速收敛;同时,该算法具有较高的控制精度.     

基于PID的航空遥感三轴惯性稳定平台控制系统设计

介绍了一种基于PID(Proportion integration differentiation)的航空遥感三轴惯性稳定平台控制系统的设计,并进行了相关试验研究。首先采用了一种基于DSP的三环复合控制方案,然后通过考虑控制系统的超调量、调节时间、阻尼性等各项指标,逐次对三环控制器进行设计,得到了合适的PID参数。通过车载试验,对平台的稳态精度、动态响应能力进行了验证。     

欠驱动航天器姿态稳定性的齐次控制方法

应用齐次控制方法研究欠驱动航天器姿态稳定性问题。采用(w,z)参数描述航天器姿态的运动,在无扰力矩的假设下,给出欠驱动航天器的姿态动力学方程。通过分析系统模型的特点,确定系统的向量场f为齐次的,利用齐次系统理论和齐次反馈设计欠驱动航天器姿态角速度ωx和ωy的控制律,使系统姿态参数和角速度w1、w2、ωz趋于渐近稳定。数值仿真实验验证了控制律的有效性。     

Variable structure attitude maneuver and vibration control of flexible spacecraft

A dual-stage control system design method is presented for the three-axis-rotational maneuver and vibration stabilization of a spacecraft with flexible appendages embedded with piezoceramics as sensor and actuator. In this design approach, the attitude control and the vibration suppression sub-systems are designed separately using the lower order model. The design of attitude controller is based on the variable structure control （VSC） theory leading to a discontinuous control law. This controller accomplishes asymptotic attitude maneuvering in the closed-loop system and is insensitive to the interaction of elastic modes and uncertainty in the system. To actively suppress the flexible vibrations, the modal velocity feedback control method is presented by using piezoelectric materials as additional sensor and actuator bonded on the surface of the flexible appendages. In addition, a special configuration of actuators for three-axis attitude control is also investigated ： the pitch attitude controlled by a momentum wheel, and the roll/yaw control achieved by on-off thrusters, which is modulated by pulse width pulse frequency modulation technique to construct the proper control torque history. Numerical simulations performed show that the rotational maneuver and vibration suppression are accomplished in spite of the presence of disturbance torque and parameter uncertainty.     

航天器的一种无源自适应姿态控制方法

针对惯量矩阵参数无法精确获知的航天器姿态控制问题,将一般的姿态动力学模型转化为欧拉角形式的动力学方程,基于无源性理论提出了一种无源自适应控制律.通过理论分析证明了该控制策略的渐进跟踪性能.该控制策略可以有效地解决由于各种因素引起的转动惯量未知时的姿态控制问题.数值仿真表明该方案的有效性.     

欠驱动航天器姿态调节滑模控制

针对欠驱动航天器的姿态调节问题,设计了基于滑模变结构控制方法的控制器．给出基于四元数的三轴稳定欠驱动航天器动力学模型和运动学模型,在此基础上首先利用广义逆和二阶滑模趋近律设计了航天器欠驱动轴的姿态调节控制律,给出了欠驱动轴控制器所具有的一般形式,分析了控制器的可实现性,并引入微小摄动量以保证控制器解的存在,在保证欠驱动轴稳定的情况下,又设计了一阶滑模趋近律控制器实现可控轴的调节,最后证明了该控制方法在干扰作用下是有界稳定的,并进行了数值仿真,验证了所推导控制律对欠驱动航天器姿态调节控制的有效性．     

挠性航天器姿态机动的主动振动控制

针对挠性航天器三轴姿态同时机动时太阳帆板的振动抑制问题,提出了采用压电智能元件作为致动器的主动振动控制方法,基于Lagrangian方法和四元数参数化建立了航天器姿态动力学和运动学模型.利用航天器姿态控制问题固有的无源性,设计了一种仅利用姿态四元数而无需以角速度测量、挠性变形位移及速率测量作为反馈的控制规律,使得在大角度姿态机动的同时能有效地抑制太阳帆板的振动;基于Lyapunov方法证明了设计的动态控制器能够保证姿态的渐近稳定性和模态振动的衰减性.将该方法的控制效果与PD控制方法进行了比较,仿真验证了所给出的控制方法的可行性和有效性.     

A Lyapunov-based three-axis attitude intelligent control approach for unmanned aerial vehicle

A novel Lyapunov-based three-axis attitude intelligent control approach via allocation scheme is considered in the proposed research to deal with kinematics and dynamics regarding the unmanned aerial vehicle systems.There is a consensus among experts of this field that the new outcomes in the present complicated systems modeling and control are highly appreciated with respect to state-of-the-art.The control scheme presented here is organized in line with a new integration of the linear-nonlinear control approaches,as long as the angular velocities in the three axes of the system are accurately dealt with in the inner closed loop control.And the corresponding rotation angles are dealt with in the outer closed loop control.It should be noted that the linear control in the present outer loop is first designed through proportional based linear quadratic regulator(PD based LQR) approach under optimum coefficients,while the nonlinear control in the corresponding inner loop is then realized through Lyapunov-based approach in the presence of uncertainties and disturbances.In order to complete the inner closed loop control,there is a pulse-width pulse-frequency(PWPF) modulator to be able to handle on-off thrusters.Furthermore,the number of these on-off thrusters may be increased with respect to the investigated control efforts to provide the overall accurate performance of the system,where the control allocation scheme is realized in the proposed strategy.It may be shown that the dynamics and kinematics of the unmanned aerial vehicle systems have to be investigated through the quaternion matrix and its corresponding vector to avoid presenting singularity of the results.At the end,the investigated outcomes are presented in comparison with a number of potential benchmarks to verify the approach performance.     

混流式水轮发电机系统的动态模型及响应

针对在高水头、大流量水流和强电磁场的共同作用下,水轮发电机组时常发生激烈振动的难题,尝试从全局耦合的角度,运用有限单元法,通过分析水轮发电机组的机电耦合关系和液固耦合关系,建立表达上述耦合关系的发电机单元、主轴单元和板壳单元,在此基础上,建立混流式水轮发电机系统的非线性动态方程,为进一步分析系统的振动机理提供了一种新的模型。     

刚体航天器预设时间预设精度姿态跟踪控制

为研究刚体航天器在上界已知的外部扰动力矩作用下的姿态跟踪控制问题,提出了一种可以指定跟踪精度的预设时间姿态跟踪控制策略。首先,设计了一种预设时间扰动观测器,此观测器可以在指定的时间以内实现对有界外部扰动的高精度在线估计,利用其估计值可以对外部扰动力矩进行补偿。然后,在此扰动观测器的基础上,运用终端滑模控制方法,设计了一个（准）终端滑模面并构造了一个连续非奇异终端滑模姿态跟踪控制器。Lyapunov理论分析表明,本研究所提观测器、滑模面和控制器的收敛时间上界以及收敛完成以后姿态跟踪的误差上界均显式存在于观测器、滑模面和控制器的有关参数中,因而可以在控制器设计过程中很方便地对其进行调节,且不受初始条件的制约。最后,通过数值仿真验证了所提控制策略的性能。仿真结果表明,无论是收敛速度还是跟踪精度,预设值都是一个比较宽松的上界,实际性能有可能远远优于预设值,并且此算法对系统的建模不确定性也有比较好的鲁棒性。     

刚体航天器有限时间输出反馈姿态跟踪控制

为提高航天器系统飞行可靠性,研究角速度信息不可测量的刚体航天器有限时间姿态跟踪控制,将姿态导数信息作为未知状态,设计基于改进自适应超螺旋滑模的状态观测器,避免未知状态导数上界需要已知的约束,将姿态运动方程进行扩维,在有限时间内实现对未知角速度估计.同时考虑环境干扰和模型不确定,设计新的有限时间干扰观测器,结合连续自适应方法实现对系统综合不确定上界的估计.在此基础上,基于终端滑模技术,设计有限时间连续姿态跟踪控制器,较好地减小了控制输入抖振,并采用Lyapunov理论证明了观测器和控制器的有限时间稳定性.最后仿真结果说明了所提方法的有效性.     

挠性航天器预设性能自适应姿态跟踪控制

为研究存在外界干扰及未建模动态的挠性航天器姿态跟踪问题,提出了一种基于预设性能方法的自适应姿态跟踪控制策略.预设性能方法利用性能函数和一种误差变换方式,将系统的跟踪误差限制在预先设定的约束范围内,以保证系统响应具有期望的超调、收敛速度以及稳态误差.采用径向基函数(RBF)神经网络来处理由干扰和附件挠性振荡产生的模型未知动态.考虑到存在未知的神经网络逼近误差,为减小控制参数选取的保守性,进一步对逼近误差的上界进行自适应估计.结合权值和逼近误差上界的自适应律,设计了预设性能自适应姿态跟踪控制器.仿真结果表明,使用本方法可以有效补偿干扰及挠性振动所产生的影响,同时使姿态控制系统获得快速平稳的动态过程和给定的稳态跟踪精度.与未采用预设性能的方法相比,所提出的方法在收敛速度、跟踪精度与振荡抑制效果等方面均具有较明显的优势,并且对控制器参数选取的依赖性更低.     

输入受限空间飞行器大角度机动控制器设计

研究了控制力矩受限时空间飞行器的大角度姿态机动控制问题。为克服大角度机动时使用欧拉角可能产生的奇异问题,文中使用四元数形式的微分方程来描述飞行器的运动。首先运用Lyapunov方法,然后根据能量重置耗散思想,基于非线性脉冲混杂系统的扩展La-Salle不变集原理,设计了混杂脉冲大角度调节器。仿真结果表明:控制算法能在输入力矩有限的条件下较快地实现姿态大角度机动,具有设计简单、易于工程实现的特点。     

带空间机械臂的航天器三维姿态运动控制

航天器系统在忽略外力矩作用时,系统对总质心的角动量矩守恒使其成为非完整系统.利用这一特性讨论了带空间机械臂的刚体航天器三维姿态运动的控制问题.栽体姿态引入Calay参数,导出带空间机械臂的刚体航天器姿态运动的数学模型,利用遗传算法进行优化控制计算.通过数值仿真,表明该方法对航天器姿态控制是有效的.     

应用滑动模态和时间尺度分离的航天器姿态控制

研究了基于时间尺度分离和滑动模态的航天器姿态控制问题.利用时间尺度分离的方法将航天器状态分成对应于姿态角的慢子系统和对应于姿态角速度的快子系统,从而构成内外两个控制回路,外回路跟踪给定的姿态角,内回路跟踪设计的姿态角速度.针对每个子系统分别设计PI型的滑动平面,在Lyapunov稳定性分析的基础上,推导出两个回路的变结构控制律.仿真结果证明了所提控制方法能够克服大幅值、高频率的外部干扰,比传统控制方法具有更高的精度和鲁棒性.     

应用滑动模态和时间尺度分离的航天器姿态控制

研究了基于时间尺度分离和滑动模态的航天器姿态控制问题．利用时间尺度分离的方法将航天器状态分成对应于姿态角的慢子系统和对应于姿态角速度的快子系统，从而构成内外两个控制回路，外回路跟踪给定的姿态角，内回路跟踪设计的姿态角速度．针对每个子系统分别设计PI型的滑动平面，在Lyapunov稳定性分析的基础上，推导出两个回路的变结构控制律．仿真结果证明了所提控制方法能够克服大幅值、高频率的外部干扰，比传统控制方法具有更高的精度和鲁棒性．